高比例新能源直流送端系统分布式调相机优化配置

索之闻，李 晖，张 锋，蒋维勇，王 菲，胡安平

高比例新能源直流送端系统分布式调相机优化配置

索之闻1，李 晖1，张 锋2，蒋维勇1，王 菲1，胡安平3

(1.国网经济技术研究院有限公司，北京 102209；2.国网新疆电力有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；3.国网哈密供电公司，新疆 哈密 839000)

高比例新能源直流送端系统故障可能引发新能源暂态过电压脱网，在新能源场站或汇集站配置分布式调相机是抑制暂态过电压脱网的有效手段。针对高比例新能源直流送端系统分布式调相机优化配置的技术需求，首先分析高比例新能源直流送端系统的暂态过电压传播特性。基于此，提出考虑节点和系统综合暂态压升严重性指标的分布式调相机候选节点筛选方法。然后，以计及运维费用的分布式调相机综合配置成本最小为优化目标，考虑多场景和多故障下的暂态电压稳定性约束，构建分布式调相机优化配置模型。最后，利用粒子群算法进行寻优得到分布式调相机优化配置方案，并构建高比例新能源直流外送试验系统。采用BPA-PYTHON-Matlab联合仿真验证所提配置方法的有效性。

高比例新能源直流送端系统；新能源暂态过电压脱网；分布式调相机；优化配置；联合仿真

0 引言

当前，为保障绿色可持续发展，以大规模开发利用风电、光伏等新能源为主要特征的电力系统清洁转型和自我革新正在蓬勃开展。为实现绿色电能的远距离跨区域消纳，我国已建设投运多条特高压直流输电线路[1-4]。高比例新能源直流送端系统在直流故障后可能出现严重的暂态过电压问题[5-8]。基于电力电子换流器的新能源并网设备具有低抗干扰性，其耐受过电压能力较弱，导致新能源过电压脱网的事故概率大大增加[9-10]。配置动态无功补偿装置是抑制高比例新能源直流送端系统暂态过电压的有效手段。

目前动态无功补偿装置主要采用SVC、SVG等，然而此类电力电子型动态无功补偿装置无功出力依赖于控制系统，无功响应存在一定迟滞，某些故障下甚至会助增系统暂态过电压[11-12]。调相机作为同步旋转设备，其基于电磁感应的无功响应具有自发、无延时性特点，有利于快速抑制暂态过电压[13-15]。通常将300 Mvar大容量调相机配置在直流换流站及其近区，用以抑制换流站过电压。然而由于新能源并网点与换流站间的电气距离通常较远，换流站内调相机对新能源机端暂态过电压的抑制有限，在新能源场站/汇集站安装分布式调相机更有助于抑制机端暂态过电压、防止新能源过电压脱网[16]。现有动态无功补偿装置优化配置未能考虑分布式调相机及其分层分散配置的作用。因此，亟须考虑高比例新能源直流送端系统的暂态电压传播特性，开展直流送端系统分布式调相机优化配置研究。

选址和定容是分布式调相机优化配置的两个重要步骤。对于设备选址问题，现有研究通常基于暂态电压稳定性指标及灵敏度构建设备选址指标[17-18]，并对各候选节点按指标值排序的方式来确定。对于设备定容问题，一种方法是采用综合评价方法定容，根据配置效果评价指标在多个可行候选配置方案中综合选定最优配置方案[17]。另一种方法是构建并求解数学优化问题。相比较而言，第二种方法获得的配置方案全局最优性更好，现有研究多采用此方法进行设备定容，主要在优化目标、暂态电压稳定性约束、优化求解方法等方面存在差异。优化目标通常为设备配置成本[20]，或与暂态电压稳定性指标相结合的函数[21]，但大多未详细考虑调相机实际运维费用，文献[22]中的每台调相机运维费用固定不变，未考虑实际调相机集中配置时运维费用将有所降低。暂态电压稳定性约束主要为暂态电压安全距离约束[21]或暂态电压稳定性指标约束[20]，较少文献将抑制新能源暂态过电压脱网的实际工程需求纳入暂态电压稳定性约束进行考虑。优化模型的求解方法包括传统优化算法[24]和现代智能优化算法[25-28]，由于现代智能优化算法的模型适用性较强，目前多数研究采用此类算法，包括遗传进化算法[25]、粒子群优化算法[26-27]、免疫多目标优化算法[28]等，其中粒子群优化算法具有简单易行、收敛速度快等优点。

本文考虑抑制直流送端系统暂态过电压的实际工程需求，提出了一种高比例新能源直流送端系统分布式调相机优化配置方法。首先，分析了高比例直流送端系统的暂态电压传播特性；其次，基于节点和系统综合暂态压升严重性指标，并结合灵敏度法提出了分布式调相机候选节点筛选方法；然后，构建了考虑设备综合配置成本和系统暂态压升严重性的分布式调相机优化配置模型，采用粒子群算法求解模型得到优化配置方案。最后，构建仿真试验系统验证了所提分布式调相机配置方法的有效性。

1 暂态过电压传播特性分析

随着大规模新能源基地集中开发，直流送端电网中常规电源逐渐被新能源替代，送端电网相对薄弱，短路容量不足问题突出，送端电网维持电压稳定的手段和能力不断下降。典型直流故障下将引起送端系统暂态电压升高，严重情况下将可能导致新能源大面积脱网[29]。

典型直流故障包括换相失败、重启动和闭锁。仿真表明，高比例新能源直流外送系统中换相失败故障引起的暂态过电压数值更高。因此，以换相失败故障为例分析高比例新能源直流送端系统中直流本体、新能源及其动态无功补偿均会对暂态过电压传播产生影响：

1) 直流系统向系统注入大量无功功率，进而产生暂态过电压；

2) 新能源进入低电压穿越控制环节，新能源有功回退加剧暂态过电压；

3) 送端电网交流电压先低后高的特性导致新能源发电机组、SVC、SVG等动态无功补偿装置无功功率出现反调现象，进一步加剧暂态过电压。

综上分析可知，高比例新能源直流外送系统暂态电压传播的本质是由直流系统故障激发、新能源机组有功回退、动态无功补偿装置无功反调助增等因素综合作用的结果。当新能源占比较高时，从故障源头直流换流站到新能源机端，新能源机端暂态过电压将明显高于直流换流站。以西北某实际新能源直流外送工程为例，在新能源大发方式下，计算各站暂态过电压分布如图1所示，可以看出，暂态过电压数值与各站距离换流站的电气距离成正相关。因此，考虑无功就地平衡，不仅要在换流站配置大容量调相机，还要进一步考虑在新能源场站/汇集站配置分布式调相机。

图1 某实际直流工程送端系统暂态过电压分布

2 分布式调相机候选节点筛选

2.1 暂态压升严重性指标

二元表是描述暂态电压稳定性的一种工程方法，但其仅能反映电压变化的门槛值和持续低/高于该门槛值的时间，无法对电压变化进行定量评估。文献[30]对系统节点暂态电压曲线进行分区、积分和标幺化处理，提出了反应节点和系统暂态过电压不可接受程度的暂态压升严重性指标，实现了基于多二元表的系统暂态过电压安全性量化分析，节点综合暂态压升严重性指标为

系统综合暂态压升严重性指标为

2.2 场景集与故障集生成

分布式调相机优化配置须考虑配置方案在系统未来多种运行工况下的适用性，即在多场景、多故障下均可保证系统暂态电压稳定性，不发生新能源暂态过电压脱网事故。

2.3 候选节点筛选

为进一步提升计算效率，本文首先进行了两阶段分布式调相机候选节点筛选，然后进行分布式调相机选址和容量优化。

阶段1：暂态电压薄弱节点集与分布式调相机初步候选配置节点集生成。

阶段2：调相机最终候选配置节点集生成。

3 分布式调相机优化配置

3.1 分布式调相机优化配置模型

3.1.1目标函数

分布式调相机综合配置成本由购置成本和运行成本构成。

3.1.2约束条件

1) 各场景下的潮流及其运行约束

各场景下各节点的潮流方程为

各场景的运行约束条件包含电压幅值约束、发电机和调相机出力约束，如式(11)—式(13)。

上述建立的潮流态是故障后电压受扰轨迹仿真的初始运行点。

2) 各场景、故障下的系统微分代数方程及暂态电压稳定性约束

描述系统动态过程的微分代数方程为

式中：为动态元件内电势、角度、频率等构成的向量；为母线电压幅值和相角构成的向量。

系统中各节点须满足暂态电压稳定性约束：

3) 单节点的调相机台数约束

系统中各节点处可配置调相机的台数具有一定的限制，节点处的调相机台数约束为

3.2 优化求解方法

由上述模型可知，调相机选址和容量优化问题是一个高维的混合整数、微分-代数、非线性规划问题，其本质是一个暂态电压稳定约束下的最优潮流问题。解决此类问题的方法有两类：一类是将暂态电压稳定性约束差分化转化成代数方程后对纯代数优化模型进行整体求解，此类方法易导致维数灾难，并且收敛性较差；另一类是将问题转化为暂态电压稳定评估、基于轨迹灵敏度的线性化电压稳定约束生成和计及该类简单约束的最优潮流模型3个子问题迭代求解。此类方法能够大大减少计算量，并且鲁棒性和收敛性都较好，因此本文采用此类方法。同时，由于分布式调相机选址和容量优化问题的决策变量具有离散性，轨迹灵敏度法的线性较差，并且传统分支定界算法的计算速度非常慢，本文基于粒子群优化算法将问题转化为一个优化主问题和一个暂态电压稳定评估子问题，如图2所示。

图2 分布式调相机优化配置求解方法流程图

4 应用案例分析

针对某实际大规模新能源直流外送场景，构建图3所示的直流外送仿真试验系统[16]，开展分布式调相机优化配置研究，其中送端换流站和变电站C合建，直流额定功率10 000 MW，额定电压±800 kV，直流配套水电2200 MW，近区无火电。配套新能源电站(风电4000 MW，光伏13 000 MW)经35 kV、110 kV、330 kV、750 kV逐级升压后，分散汇集于换流站近区750 kV变电站A、B、C，换流母线配置8台300 Mvar的调相机(接于750 kV)。设置场景1：新能源大发，新能源出力占总量的64.14%；场景2：新能源小发，新能源出力占总量的35.86%。

图3 仿真试验系统图

根据系统实际运行要求设置各类型节点过电压多二元表[30-31]，风电场节点：{[1.1 p.u., 1.2 s]，[1.15 p.u., 0.1 s]，[1.3 p.u., 0.02 s]}；光伏电站节点：{[1.1 p.u., 2 s]，[1.35 p.u., 0.05 s]}；其余新能源汇集站及变电站节点：{[1.1 p.u., 2 s]，[1.3 p.u., 0.02 s]}。

4.1 分布式调相机候选节点生成

初始状态下，分别针对不同场景、不同故障进行时域仿真，计算得出35 kV及以上新能源电站和汇集站节点的暂态压升严重性指标值，选择分布式调相机初步候选配置节点，包括：风A1/A2新能源电站35/110 kV节点和新能源汇集站35/110/330 kV节点；光A1/A2/A3新能源汇集站35/110/330 kV节点；光B1/B3新能源电站35/110 kV节点和新能源汇集站110 kV节点；光B2/B4/B5/C1/C2/C3/C4新能源汇集站110 kV节点。

表1 分布式调相机配置节点筛选指标计算值

4.2 分布式调相机优化配置

本文采用BPA-Python-Matlab联合仿真实现对分布式调相机优化配置模型的求解，具体如下：1) 对于系统潮流、暂稳计算采用电力系统时域仿真软件PSD-BPA；2) 对于数据处理和优化算法采用Matlab软件编程；3) 为实现上述软件间的交互，利用Python软件进行主程序的构建，利用其虚拟键盘函数keybd_event()实现对BPA软件中潮流计算程序PFNT.exe和暂稳计算程序SWNT.exe的调用，利用其引擎启动函数start_matlab()实现对Matlab软件中编写功能函数m文件的调用。

图4 全局极值变化曲线

表2 分布式调相机优化配置结果

按照上述方案配置分布式调相机，经校验场景1和场景2各故障下各类节点的暂态过电压均满足要求，场景1各故障下各类节点的暂态过电压响应如图5所示。

图5 场景1各故障下各类节点的暂态过电压响应曲线

可以看出，所提配置方案能够很好地抑制系统暂态过电压，分布式调相机配置前后各场景各故障下的暂态压升严重性指标对比结果见表3。通过对比可知，安装分布式调相机前后，暂态压升严重性指标由大于1降至小于1，可避免新能源暂态过电压脱网事故，因此，验证了本文所提的高比例新能源直流送端系统分布式调相机优化配置方法的有效性。

表3 分布式调相机配置前后各场景各故障下的暂态压升严重性指标对比

5 结论

为抑制高比例新能源直流送端系统故障后引发的新能源暂态过电压脱网，本文提出了一种先利用暂态压升严重性指标筛选候选节点，再求解优化模型的分布式调相机优化配置方法，在降低直流送端系统暂态过电压风险的同时兼顾了经济效益，可有效确定高比例新能源直流送端系统分布式调相机配置方案。

后续将进一步通过构建新能源和负荷出力随机概率模型生成详细的系统未来多场景集，同时计及新能源多场站短路比的运行要求，并在此基础上进行分布式调相机优化配置研究。

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Optimal configuration of a distributed synchronous condenser for an HVDC sending-end system with a high-proportion of renewable energy

SUO Zhiwen1, LI Hui1, ZHANG Feng2, JIANG Weiyong1, WANG Fei1, HU Anping3

(1. State Grid Economic and Technological Research Institute Co., Ltd., Beijing 102209, China; 2. State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd., Urumqi 830000, China;3. State Grid Hami Electric Power Company, Hami 839000, China)

A fault happening on an HVDC sending-end system with a high-proportion of renewable energy may lead to renewable energy transient overvoltage tripping. Configuring distributed synchronous condensers in renewable energy stations or collection stations is an effective means for restraining transient overvoltage.In view of the technical requirement for optimal configuration of distributed synchronous condensers, this paper first analyzes transient overvoltage propagation characteristics of the HVDC sending-end system. Based on this, the candidate node selection method of condenser considering the comprehensive transient voltage rise severity index of node and system is proposed. Then, taking into account the optimization goal of minimizing the operational and maintenance costs of the condenser, considering transient voltage stability constraints under multiple scenarios and multiple faults, the optimal configuration model of the distributed synchronous condensers is established. Finally, the optimal configuration scheme is obtained by using a particle swarm optimization algorithm, and a high-proportion of renewable energy DC transmission test system is established. The effectiveness of the proposed configuration method is verified by BPA-PYTHON-Matlab joint simulation.

HVDC sending-end system with high-proportion renewable energy; renewable energy transient overvoltage tripping; distributed synchronous condenser; optimal configuration; joint simulation

10.19783/j.cnki.pspc.220250

国网总部科技项目资助(5100-202136012A-0- 0-00)；国网新疆电力有限公司咨询项目资助(B3440821G005)

This work is supported by the Science and Technology Project of the Headquarters of State Grid Corporation of China (No. 5100-202136012A-0-0-00).

2022-03-01；

2022-04-24

索之闻(1988—)，男，通信作者，博士，高级工程师，研究方向为交直流混合电力系统安全稳定分析；E-mail: suozhiwen@chinasperi.sgcc.com.cn

李 晖(1981—)，男，博士，教授级高级工程师，研究方向为智能电网规划；E-mail: lihui@chinasperi.sgcc.com.cn

张 锋(1978—)，男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统运行与控制。E-mail: 13319884633@163.com

(编辑 姜新丽)